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摘要:根据杆栅支撑纵流壳程换热器的结构特点对其进行简化,建立了周期性单元流道模型,应用ＣＦＤ软件ＦＬＵＥＮＴ对不同介质、不同Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数、不同折流栅间距时的模型进行流动和传热的模拟、分析与比较,获得了流道内流体流动和传热的细观特征以及折流栅间距的最优取值范围,为纵流壳程换热器的研究和应用提供了一定的参考.
关键词:换热器;数值模拟;纵流;折流栅间距
引 言
换热器是一种通用的工艺设备,在化工、化肥、炼油、电力、轻工等行业中有着举足轻重的作用.近年来迅速发展起来的纵流壳程换热器由于具有传热系数高、压降小、抗振性能优越等优点,在工业中的应用日益广泛,并吸引了大批学者对其进行新结构的开发与应用研究.
对换热器进行开发研究通常有实验方法和数值方法,由于实验方法耗时耗力,限制条件较多,而最近20年来迅速发展起来的ＣＦＤ技术及成熟的*ＣＦＤ软件为数值方法的应用提供了条件,因此,本文采用ＣＦＤ软件ＦＬＵＥＮＴ对杆栅支撑纵流壳程换热器[1 2]壳侧的流体流动与传热进行数值模拟与研究,旨在获得比较微观的流动和传热特性并以此为基础对影响杆栅支撑结构性能的重要参数———折流栅间距进行优化设计,为纵流壳程换热器的进一步推广应用提供一定的参考.
1 简化模型的建立
由于纵流壳程换热器壳程尺寸庞大,内部结构复杂,如果采用数值模拟方法对整个换热器壳程进行模拟,受计算机软硬件条件的限制,难以得到较为准确可靠的结果.因此,考虑到纵流壳程换热器壳程结构的对称性和周期性以及流体在壳程充分发展段流动的周期性,根据数值传热学及ＦＬＵＥＮＴ中周期模型的相关理论,在实际的模拟中将整个壳程简化为周期性单元流道模型,如图1所示,阴影部分表示单元流道的流通横截面,Ｌｂ为折流栅间距,在图中表示为两根折流杆轴线之间的垂直距离,一个周期性单元流道长度取2Ｌｂ,折流杆中心位置和流道端面中心位置均关于坐标原点对称.
2.周期性单元流道模型正确性验证
目前见诸报道的杆栅支撑纵流壳程换热器壳侧传热系数计算方法主要有:美国Ｐｈｉｌｌｉｐｓ石油公司计算关联式[1]和郑州大学热能工程研究中心计算关联式[6],这两种计算方法均在换热器工程设计中广泛应用,因此本文通过比较模拟结果和两种公式的计算结果来验证数值模拟的周期性.表1所示为Ｒｅ=104时采用周期性单元流道模型数值模拟的结果与分别采用文献[1]和文献[6]中实验公式计算结果的对比,从表中可以看到,误差基本上小于10%,满足工程需要,从而验证了周期性单元流道模型的周期性和有效性.
3 单元流道内流动和传热的细观分析
取介质为水,Ｌｂ为150ｍｍ,单元流道内Ｒｅ为4000时的模型进行分析.图4所示为周期性单元模型截面ｘ=0和ｙ=0上的速度矢量图,图5所示为截面ｘ=0和ｙ=0上的速度分布云图,图6为截面ｘ=0和ｙ=0上的压力分布云图.从图中可以直观地看出,流体在通过折流杆时,由于流通面积的突然减小,在杆的两侧形成高速流体,冲向相邻管之间的区域,加快了管表面流体的流速,强化了管壁的传热,且由于杆表面的边界层脱离在杆后方形成低压区,如图6所示,流道两侧管间的高压区流体向低压区回流,增加了流体的湍动和混合,加速了近管壁流体和流道中心流体的传热.
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